电动汽车电池储能系统的特性

影响电动汽车电池储能系统（BESS）性能的有几个重要因素。这些包括循环寿命、充放电效率、自放电、工作温度范围和过充耐受性。了解这些特性对于提升电动汽车的性能和可持续性至关重要。以下章节将详细分析电池技术的演变。分析最后基于定性因素对关键电池技术进行了比较评估。本分析的数据来源于先前的研究[23, 30, 65, 90, 91]，并以一种新的方式呈现它们，以满足论文的目标。表2展示了关键绩效指标的对比，而图4展示了后续的环境和经济指标对比。

 

比较：不同电池技术的关键性能指标，数据解读基于现有文献 [23, 30, 65, 90, 91].

无性向	电池类型	密度		循环寿命（×100）	充放电效率 (%)	自放电（%/月）	工作范围（°C）	过充耐受性a
		能量 (Wh/kg)	功率（瓦/千克）
过去	铅酸	30–50（低）	80–160（中）	3–5（低）	∼75 (L)	L-M	−20至+45 (A)	H
	镍镉	35–80 (低)	120–150 (中)	8–20 (H)	∼80 (低-中)	M-H	0 to +50 (A)	M-H
	镍氢电池	60–120 (M)	150–450 (H)	3–15（男）	∼85 (M)	H	0 to +50 (A)	L-M
当前	锂离子（LFP）	120–200 (H)	180–220（高）	20–80 (VH)	约92 (高)	L	-20至+40 (A)	L
	锂离子（NMC）	150–220 (H)	180–270 (H)	20–25 (H)	∼94 (H)	L	−20到+50 (A)	L
	锂离子（LTO）	60–110 (中号)	∼VH	40–90 (VH)	∼95 (VH)	非常低	-40 至 +60 (E)	L
	锂聚合物 (LCO)	120–220 (H)	220–330 (H)	10–22 (H)	约92 (高)	L	-20至45 (A)	L
	锂金属（LMO）	100–150 (M)	160–230 (H)	∼L	∼95 (VH)	非常低	-40 至 +85 (E)	不适用
未来	锂硫	约450 (VH)	约H	约15 (M)	约87 (M-H)	不适用	-20至+70（E）	L
	Li-O2	~5000 (Ex)	∼M	∼5 (L)	∼75 (L)	不适用	−50 to +90 (E)	不适用
	锌空气	约450 (VH)	∼M	3–10 (中)	∼90 (高)	不适用	-20至+70（E）	不适用
	钠-硫	115–200 (高)	120–180 (中)	8–30 (H)	∼85 (M)	不适用	+270 至 +350 (Ht)	不适用
	钠离子	100–160 (H)	∼VH	5–20 (H)	∼95 (VH)	非常低	−20到+50 (A)	L-M

粗体值表示最高值。

VL，极低；L，低；M，中等；H，高；VH，极高；A，环境；E，扩展；Ht，高温；Ex，优异/基准。

^a充电超过标称容量且充电速率较高。

3.1 能量密度

能量密度是指单位质量[瓦时每千克 (Wh/kg)]或体积[瓦时每升 (Wh/L)]的电池中储存的能量量，对于长时储能至关重要。更高的能量密度允许在相同的体积或重量下储存更多的能量，从而提高储能系统的紧凑性和效率 [92, 93]. EV必须具有高能量密度，以便在有限的体积和重量内储存尽可能多的能量。此外，高能量密度使EV能够在不显著增加电池尺寸或重量的情况下实现更长的行驶距离[94–96].

然而，优化能量密度仍然是一个重大挑战。当前的锂离子电池技术在利用易燃液体电解质方面存在局限性，这在特定条件下会带来安全风险 [97]. 材料科学的进步，特别是对固态和下一代电池技术的探索，可以在提高能量密度的同时增强安全性。基于锂金属阳极的固态电池因其更高的理论容量而展现出前景 [97]. 此外，管理和利用储存能量的系统，如电池管理系统，也可以实施能量密度优化策略。总之，其优化取决于材料的持续进步、创新能源管理系统的开发以及专注于减少电池相关重量的设计考量。

3.2 功率密度

另一方面，功率密度显示了电池单位质量（W/kg）或体积（W/L）的能量转移速度 [92, 93]。它对于高速充放电应用至关重要。它是储能系统单位体积或质量所能提供或接收的功率（单位时间内的能量）量。更高的功率密度意味着它能够快速释放或吸收能量。高功率密度实现了快速充放电，使电池适用于电动汽车和电网级安装等应用 [98, 99]. 在电池设计中，平衡这些特性至关重要，新兴材料研究显示了在不牺牲能量密度的情况下提高功率密度的潜力。这两种特性都是ESS设计和选型中的重要考量因素，因为它们影响性能、效率、尺寸、重量和成本。

电动汽车电池中功率密度的重要性不言而喻。例如，在急加速或急刹车时，强劲的功率输出对于保持顺畅的驾驶体验和延长车辆续航里程至关重要。因此，优化功率密度对于提升电动汽车的性能至关重要。我们可以采用多种策略来优化功率密度。首先，在混合储能系统（ESS）中将电池与超级电容器集成是一种很有前景的方法。超级电容器与电池在混合配置中可以平衡加速或减速时的功率需求，而电池则用于储存长距离行驶所需的能量[100]. 其次，化学材料的改进，例如由镍、锰、钴（NMC）制成的锂离子电池，能够比旧款锂离子电池产生更大的功率 [101]. 固态电池（SSB）的新进展也可能有所帮助，因为它们可以在保持高功率密度的同时，降低使用液态电解质带来的风险 [102]. 总之，通过采用混合储能系统（ESS）并改进电池化学技术来优化功率密度，是提高功率密度和改善电动汽车驾驶体验的关键策略。

3.3 循环

电动汽车电池储能系统的循环次数指的是电动汽车电池组反复充放电以提供动力的过程。驾驶环境、地形和驾驶模式等多种因素会影响电池在这些循环过程中的表现 [103, 104]。设计一种能确保正确充放电流程的循环电池测试仪，对于测试电动汽车所用的锂离子电池至关重要 [105, 106]。将退役电动汽车的锂离子电池组用于固定式应用，可以提高能源效率并促进材料的可持续性 [107, 108]。创新方法，例如使用以氢气为燃料的液流电池，为高效且可持续地为电动汽车供电展现出前景 [109].

据Keil和Jossen [110] 所述，一种实现方法是使用先进的电池管理系统，实时监控温度、荷电状态（SOC）和放电深度（DOD）等参数。这些系统有助于缓解热失控和过度放电等问题，从而延缓电池老化。Jung等人的 [111] 研究还表明，使用车网互动（V2G）技术可以通过减少高负载时段的电池压力来改善电池充放电模式，从而节省电池容量并延长其使用寿命。例如，实施V2G系统已被证明可将电动汽车电池的循环寿命提高约7.7%，凸显了将电网服务整合到电动汽车运营中的潜在益处。预测分析和建模方法，如使用无迹卡尔曼滤波器的方法，也被用于更准确地估算电池的剩余使用寿命（RUL）。 准确的剩余使用寿命预测能够实现及时的维护和电池健康状况的主动管理，从而提高安全性和效率 [112]. 总而言之，电动汽车电池的循环寿命至关重要，因为它不仅影响电动汽车的经济可行性，还在环境可持续性方面发挥着关键作用。通过V2G和预测建模等先进电池管理技术优化循环寿命，为提高电动汽车的整体性能提供了一种多性向的方法。

3.4 充放电效率

储能系统的充放电效率是指系统在充放电过程中转换电能的有效性，以百分比（%）表示。较高的效率值意味着可利用的能量更多。较低的效率值则表明充放电过程中能量损失较大。高效的储能系统运行必须平衡荷电状态（SOC），并优化效率以实现系统性能 [113]。最优的储能系统运行涉及平衡荷电状态（SOC）并最大化系统性能 [114]. 充放电效率对于电网稳定、可再生能源整合和电动汽车等节能应用至关重要。从数学角度而言，充放电效率 (η) 可表示为：

η=(energyoutputduringdischarge)(energyinputduringcharging)×100%
(1)

一个重要的因素是这些步骤中损失的能量，这可能由电池的化学特性、温度以及所使用的充电架构等因素引起 [115]。有几种策略可以优化充放电效率。首先，电池管理系统方面的改进可以控制不同的因素，如荷电状态（SOC）和放电深度（DOD），从而使电池寿命更长、性能更佳 [116]。使用车辆到电网（V2G）等技术可以更灵活地调整充电时间表，从而降低电网的峰值负荷需求，整体上提高能源效率 [117]. 此外，加强对电池化学和设计的关注至关重要，特别是在开发锂离子电池方面。旨在提高能量密度同时保持效率的创新，有助于抵消充放电循环中的能量损失 [118]. 此外，集成先进的冷却系统以在充放电过程中维持最佳工作温度，可以进一步提升电池性能 [119]. 总之，充放电效率不仅仅是一项性能指标，它极大地影响着电动汽车的经济可行性和环境可持续性。提升这一效率的策略涵盖了先进的电池管理与算法控制，以及电池技术和热管理方面的创新。随着电动汽车市场的增长，优先考虑这些优化措施对于电动汽车的可持续发展和普及至关重要。

3.5 自放电

储能系统的自放电是指即使在没有外部负载连接的情况下，由于系统内部的化学反应或泄漏过程导致存储的能量随时间损失 [120]。这种存储电荷的损失在各种电池技术中都会发生，某些电池的自放电率甚至超过每天存储能量的50% [121]. 我们可以在无负载状态下测试自放电，持续设定的时间。这表明电池单元内部正在发生化学和电化学反应，这些反应受到材料纯度、表面积以及电解液成分等因素的影响 [122]. 自放电测试系统是一种管理自放电的方法，它通过测量放电过程中的电流，准确高效地评估自放电率 [123]. 除颤系统中的自放电方法也涉及分步释放储能电容中的能量，以防止其过热损坏，并最大限度地利用能量释放 [120, 124].

电池可以通过各种策略优化其自放电效率。一种方法是实施有效的电池管理系统（BMS）。良好的BMS可以持续监控电池的荷电状态（SOC）和电池单元的健康状况。这使其能够执行诸如电池均衡等操作，通过确保电池单元保持在正确的充电水平来防止自放电 [125]. 此外，电池系统内的热管理至关重要，因为过热会增加自放电率。高效的冷却技术可以维持最佳工作温度，提高电池稳定性并降低自放电率 [126]. 此外，通过电池化学和设计的进步，专注于使用具有更低固有自放电率的材料。Cui127] 指出，SSB（固态电池）采用固态电解质，与传统锂离子电池相比，具有更低的自放电率和更高的能量密度。这些进步有望显著提升电动汽车电池的效率和性能，满足日益增长的能源管理和可持续性需求。总之，自放电效率是影响电动汽车电池性能的关键因素。提高自放电效率能改善电动汽车的续航里程和成本效益，对于构建可持续的交通生态系统至关重要。

3.6 工作温度范围

电动汽车（EV）储能系统（ESS）电池的特性中，工作温度范围对于实现最佳性能和延长使用寿命至关重要。电动汽车电池可在较宽的温度范围内工作，通常为 -30°C 至 50°C，这会影响其容量、内阻和功率特性 [128, 129]. 将电池维持在最佳温度范围内，对于实现高能量比和循环寿命至关重要 [3, 130]. 电池管理系统（TMS）可防止温度过高 [2, 131]. 确定电池的工作温度范围（10°C至40°C之间）对于确保电池在各种环境中正常运行至关重要 [128]. 温度会影响电池性能；低温会降低容量并阻碍电动汽车运行，因此需要高效的热管理系统来提升车辆续航里程和性能 [132].

最佳工作温度范围和有效的热管理系统至关重要。在研究中，Chan等人. [133] 提出了该系统的目的是将电池的工作温度保持在安全和最佳范围内。该设计可将电池组维持在25°C的最佳工作温度，减少电池热失控的发生，并为最大化效率、安全性和维护成本提供解决方案。此外，先进的电池管理系统在温度调节方面也起着关键作用。此外，Harippriya等人。 [134] 提出了先进的电池管理系统在温度调节方面的应用。现代电池管理系统能够根据驾驶模式和环境条件预测温度波动，从而采取预防性措施，降低电池过热或低温的风险。通过控制电池温度，这些系统能够延长电池寿命，提高安全性和性能，进而增加车辆的续航里程。总之，保持电动汽车电池的最佳工作温度对于最大化效率和安全性至关重要。先进的热管理技术和电池管理系统技术是应对这一挑战的有效解决方案，有助于解决这些电池在运行过程中面临的各种热条件。

3.7 过充耐受性

对于电动汽车储能系统（ESS）的电池而言，“过充耐受性”指的是电池在不过度影响其安全性和性能的情况下，处理和减轻过充不良影响的能力 [135, 136]。研究人员发现，不同类型的电池单元，如棱柱形电池和软包电池，在过充时的反应各不相同 [137]. 在热行为和过充耐受性方面，软包电池在某些阶段优于方形电池。然而，方形电池的安全阀机制使其在早期预警和阻止热失控方面表现更佳[138]. 研究还表明，即使是少量的过充也会加速电池容量的损失并缩短循环寿命。对于高功率电池的正极材料而言，这一点尤为明显 [139]. 通过使用高频振动信号来检测过放电问题等方法，可以提高电动汽车中锂离子电池的安全性和可靠性[140].

可实施关键优化策略以增强过充耐受性并缓解相关风险。一种有效方法是添加氧化还原穿梭添加剂，当电池电压接近危险阈值时，这些添加剂可作为分流器发挥作用，从而防止过充。氧化还原穿梭物质可在正极氧化并在负极还原，从而有助于将电池保持在其安全电压工作范围内 [141]。此外，磷酸铁锂 (⁠⁠LiFePO4) 等材料比传统的钴酸锂电池具有更好的过充耐受性，在滥用条件下能提供更佳的安全性能。此外，配备实时监测功能的电池管理系统能够检测过充状态并相应调整充电协议，从而防范潜在风险 [142]. 总之，过充耐受性对于电动汽车电池的安全性和使用寿命至关重要。创新材料、氧化还原穿梭添加剂、有效的热管理和先进的电池管理系统相结合，可以显著优化过充性能，从而提高电动汽车的安全性并延长电池的使用寿命。

3.8 回收与可持续性

电池回收与可持续性是至关重要的议题，因为电池废物的不当处置会带来环境和健康风险。电池，尤其是锂离子和铅酸电池，含有有毒重金属和其他危险物质，这些物质可能会渗入环境，造成污染和健康危害。有效的回收和管理策略对于减轻这些风险并促进可持续资源利用至关重要。电池回收涉及处理危险物质，如果管理不当，会带来重大的环境和安全风险。这些包括火灾风险、化学灼伤和污染 [143].

电池回收方法，特别是锂离子电池的回收方法，对于减轻环境影响和回收有价值的材料至关重要。主要方法包括化学、物理和直接回收技术，每种方法都有其独特的优缺点，如表3所示 [9, 143–149]. 火法冶金过程涉及高温熔炼以分离金属，但往往导致锂回收不完全并产生大量排放[148]. 湿法冶金涉及利用化学反应分离电池组件，有效回收镍、钴和锰等金属 [147]. 然而，它耗能巨大且可能产生危险废物。近期的进展带来了创新方法，专注于直接回收，保留正极材料的原始结构，并能在无需大量处理的情况下实现废料的再生 [149] (表4).

 

各种电池回收技术的优势、劣势及挑战，数据解读基于现有文献 [9, 143–149].

技术	工艺流程	优点	缺点	挑战
化学回收	火法冶金	操作简单 无需预处理 高效	能耗高 废气排放多 回收效率低 Li和Mn未被回收	降低能耗、污染、排放及环境危害。 将其与湿法冶金相结合。
	湿法冶金	高回收率 高纯度产品 低能耗 废气排放减少 高效	水和化学反应物消耗增加 废水排放增加 漫长的过程	污水处理 工艺优化 循环湿法冶金
直接回收	创新方法	较短的回收路线 低能耗 环保的 高回收率	高运营和装备要求 恢复不完全	降低回收成本 降低对类别的要求 进一步优化产品性能

比较：电池技术的关键环境与经济因素，数据解读基于现有文献[23, 30, 65, 90, 91].

无性向	电池类型	回收（等级）	成本（欧元/千瓦时）a	毒性/危害	技术成熟度
过去	铅酸	S (Cp)	约255 (L-M)	H/F/P/C	H
	镍镉	S (Pa)	约540 (M)	H/P/C	H
	镍氢电池	牛顿（帕斯卡）	∼M-H	L/C	M
当前	锂离子（LFP）	牛顿（帕斯卡）	约425 (M)	L/F/C	M
	锂离子（NMC）	T（Pa）	∼985 (H)	M/Fb/C	M
	锂离子（LTO）	T（Pa）	∼625 (M-H)	L	L-M
	锂聚合物 (LCO)	T（Pa）	∼M-H	M/Fb/C	M
	锂金属（LMO）	不适用	∼M	L/F	L-M
未来	锂硫	T（Pa）	∼L-M	L/C	L
	Li-O2	不适用	∼L-M	L/C	L
	锌空气	牛顿（帕斯卡）	∼L	L/C	L
	钠-硫	T（Pa）	∼L	L/Fc/C	L-M
	钠离子	(Pa/CP	∼L	L/Fc	L-M

翻译为中文： L，低；M，中；H，高；S，简单/已建立；N，正常/中等；T，困难；F，火/爆炸；P，毒；C，化学灼伤/腐蚀性/烟雾/污染；Cp，完全；Pa，部分/不完全。

^a2022-23年度由主流供应商（宁德时代、CALB等）确定的标准、解释性及相对采购成本，以及预期预测。

^b与有机溶剂相关，其具有高度易燃性，此外，金属元素（阳极）若接触水也会起火。

^c与熔融钠及其残留材料相关，泄漏时可能导致短路。